可視化遠(yuǎn)程遙控移動機(jī)械手設(shè)計與實現(xiàn)

　　機(jī)械手在現(xiàn)代社會已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，航空航天業(yè)，軍事業(yè)，同時也將進(jìn)入服務(wù)業(yè)，移動機(jī)械手是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機(jī)電一體的產(chǎn)品。隨著社會生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。從自動化生產(chǎn)線到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域，機(jī)械手已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)。然而就目前的機(jī)械手技術(shù)水平而言，機(jī)械手在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的，對于復(fù)雜的工作任務(wù)及多變的工作環(huán)境，機(jī)械手的能力更顯不足。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來、嵌入式技術(shù)及軟件技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的高性能嵌入式芯片的出現(xiàn)，嵌入式操作系統(tǒng)的快速發(fā)展，并且應(yīng)用到嵌入式處理器中，促進(jìn)了移動機(jī)械手向更加向智能化方向發(fā)展。本文以TI公司的OMAP4430異構(gòu)多核處理器為核心，Android手機(jī)為控制終端，實現(xiàn)了一款基于搖桿手柄操作的可視化移動機(jī)械手?？刂平K端Android手機(jī)響應(yīng)搖桿事件控制移動機(jī)械手操作。同時借助OMAP4430異構(gòu)多核處理器在視頻編解碼上的強(qiáng)大優(yōu)勢實現(xiàn)了對720P視頻的實時無線傳輸。為了提高移動機(jī)械手的控制精度和相應(yīng)速度，采用直流馬達(dá)驅(qū)動機(jī)械手運(yùn)動并采用實現(xiàn)180級別角度和速度的7個AX-12馬達(dá)來提供更大的力矩。最后通過實驗來驗證本次設(shè)計的可行性。

　　1硬件平臺

　　本次設(shè)計的可視化遠(yuǎn)程遙控移動機(jī)械手硬件部分主要分為OMAP4430開發(fā)板、Android手機(jī)、車體及機(jī)械手馬達(dá)三部分。

　　1.1 OMAP4430開發(fā)板

　　OMAP4430是TI公司的實現(xiàn)了高性能和低功耗完美平衡的Soc，其內(nèi)部主要包括四個處理引擎：基于ARMv7l指令集的SMP Cortex-A9 1Ghz雙核處理器，可編程多媒體硬件加速引擎IVA-HD及協(xié)處理核Cortex-M3，高性能的圖像顯卡Power SGX540及提供圖像視頻并行計算的ISP.其中IVA-HD多媒體加速引擎內(nèi)部有7個針對各種視頻編解碼而設(shè)計的加速引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)對720P視頻的實時編解碼。其內(nèi)部示意圖如圖1所示：

　　圖1 OMAP4430內(nèi)部引擎示意圖

　　1.2 Android平臺

　　Android是一個以Linux為基礎(chǔ)的開放源代碼移動設(shè)備操作系統(tǒng)，主要用于移動設(shè)備，由Google成立的Open Handset Alliance持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)與開發(fā)中。Android具有開源、良好的可移植性等成為全球第一大智能手機(jī)操作系統(tǒng)。本次設(shè)計Android手機(jī)采用聯(lián)發(fā)科Cortex-A7處理器，支持無線網(wǎng)卡AP熱點(diǎn)，支持H264硬解碼。

　　1.3移動機(jī)械手

　　移動機(jī)械手由運(yùn)動小車和機(jī)械手組成，運(yùn)動小車負(fù)責(zé)地面移動，而機(jī)械手通過旋轉(zhuǎn)6個馬達(dá)關(guān)節(jié)來完成捉取地面目標(biāo)任務(wù)。

　　1.3.1移動小車

　　利用高性能MCU ATmega128L芯片通過傳感器采集當(dāng)前的狀態(tài)及驅(qū)動DC馬達(dá)進(jìn)行移動， ATmega128單片機(jī)為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128單片機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHZ，小車采用4輪驅(qū)動車輪形移動機(jī)器人，配有4個DC直流馬達(dá)及多種傳感器，具有卓越的旋轉(zhuǎn)能力和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，小車控制框架如圖2所示：

　　圖2小車運(yùn)動控制示意圖

　　1.3.2機(jī)械手

　　機(jī)械手由6個AX-12馬達(dá)組成，AX-12馬達(dá)具有180級別位置和速度控制、位置角度和速度的實時反饋、內(nèi)部溫度或力矩超出范圍時給予警告提示等優(yōu)點(diǎn)。第一個馬達(dá)的關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)機(jī)械手360度旋轉(zhuǎn)，第二個關(guān)節(jié)的同時控制兩個馬達(dá)，這個關(guān)節(jié)在提起和放下物體時提供了必須的扭矩，因此通過控制兩個馬達(dá)補(bǔ)充扭矩大小的不足，而第三第四個馬達(dá)提供了機(jī)械手捉取目標(biāo)時前伸和后縮所需的力矩，第五個馬達(dá)則是手腕旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，用于旋轉(zhuǎn)最后一個馬達(dá)的空中角度。最后一個馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)將推動夾子張開和閉合來捉取地表目標(biāo)。通過這6個馬達(dá)的機(jī)械臂，可向所有方向移動并進(jìn)行多樣化的動作實驗。

　　1.4系統(tǒng)硬件框架

　　圖4系統(tǒng)硬件框架圖

　　2軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括Android手機(jī)應(yīng)用、OMAP4430開發(fā)板Linux控制服務(wù)端和無線視頻服務(wù)軟件設(shè)計、AVR單片機(jī)程序設(shè)計，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

　　Android應(yīng)用主要負(fù)責(zé)接收手柄水平、豎直方向的搖桿時間和手柄按鍵事件、實時分析處理事件、將結(jié)果通過Socket發(fā)送給OMAP4430開發(fā)板。同時Android將實時接收經(jīng)過OMAP4430開發(fā)板通過H264算法壓縮的720P視頻流并通過硬解碼技術(shù)將解碼緩存繪制到控制界面上。

　　OMAP4430開發(fā)板搭載Linux3.9.11操作系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)卡Socket編程與Android手機(jī)建立通信，它主要負(fù)責(zé)接收Android平臺發(fā)過來的控制命令并進(jìn)行處理后將數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙串口發(fā)送給AVR單片機(jī)控制移動機(jī)械手的運(yùn)動和馬達(dá)操作。利用OMAP4430異構(gòu)多核處理器在視頻編解碼上的強(qiáng)大優(yōu)勢，通過USB攝像頭采集720P分辨力的視頻幀通過libdce庫利用內(nèi)部的IVA-HD多媒體硬件加速引擎進(jìn)行H264編碼，并將編碼視頻緩存流通過無線網(wǎng)卡Socket通信發(fā)送到Android手機(jī)進(jìn)行顯示。

　　而底端AVR單片機(jī)則負(fù)責(zé)接收OMAP4430發(fā)過來的控制命令來操作4個直流電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動、同時將通信數(shù)據(jù)進(jìn)行解析成機(jī)械馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度及角度械手的動作來完成任務(wù)。

　　圖5系統(tǒng)軟件框架圖